JP6854008B2 - 金属粉末製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、金属粉末を製造する金属粉末製造装置に関する。
従来、金属粉末を製造する装置として、アトマイズ法が広く用いられている。アトマイズ法として、溶融金属にガスジェットを噴射して溶融金属を微細な溶滴に分断し、冷却することにより金属粉末を製造するガスアトマイズ法を用いた金属粉末製造装置がある(例えば、特許文献1参照)。
特開平5−271719号公報
従来の金属粉末製造装置では、装置構成や製造条件を決めてしまうと、得られる金属粉末の粒径が決まってしまう。装置構成や製造条件等を変更することで、金属粉末の粒径を変更することは可能と思われるが、装置構成や製造条件等を変更することは煩雑であり、製造する金属粉末の粒径を容易にコントロール可能な金属粉末製造装置は考えられていなかった。
本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたもので、金属粉末の粒径のコントロールが容易な金属粉末製造装置を提供することを目的としている。
請求項1に記載の金属粉末製造装置は、溶融金属を流下する供給手段と、前記供給手段で流下された前記溶融金属に燃焼炎を噴射し溶融状態の金属粉末を生成する燃焼炎噴射手段と、前記溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射する噴射ノズルと、前記噴射ノズルの噴射位置を変更する噴射ノズル変更手段と、を有し、前記噴射ノズル変更手段は、前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられ、前記冷却媒体が供給される冷媒供給部材と、前記冷媒供給部材に上下方向に複数形成され、前記冷却媒体が吹き出すと共に前記噴射ノズルが着脱可能な噴射口と、を備えている
請求項1に記載の金属粉末製造装置では、供給手段から流下された溶融金属に対して、燃焼炎噴射手段から燃焼炎が噴射されることで、溶融した金属が粉砕され、溶融状態の金属粉末となる。即ち、溶融金属を燃焼炎で加熱して粘度を下げて粉砕するため、溶融金属にガスや水を噴射して冷却すると共に粉砕する場合と比較して、溶融金属をより粉砕することができる。
そして溶融状態の金属粉末は、流下して、噴射ノズルから噴射された冷却媒体で急冷されたアモルファス状態の金属粉末となる。
ここで、請求項1の金属粉末製造装置では、溶融金属を燃焼炎で加熱して粉砕するが、燃焼炎の噴射方向の下流に行くに従って徐々に粉砕化が進む。
即ち、従来の水アトマイズ法やガスアトマイズ法では、溶融金属を水またはガスで冷却すると共に粉砕を行うため、溶融金属は粉砕直後に固化して金属粉末となってしまうため粉砕化が進行しないが、請求項1の金属粉末製造装置では、燃焼炎で粉砕した後も粉砕化が進行するため、加熱された粉砕直後の溶融状態の金属粉末に比較して、粉砕位置から下流側に離れた位置の金属粉末の粒径を小さくすることができる。
ここで、噴射ノズル変更手段は、噴射ノズルから噴射される冷却媒体の噴射位置を変更することができるので、例えば、粉砕直後の溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射して冷却固化すれば、比較的粒径の大きな固化した金属粉末を得ることができ(但し、水アトマイズ法やガスアトマイズ法よりは粒径は小さい)、粉砕位置から離れた位置で溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射して冷却固化すれば、さらに微細化された比較的粒径の小さな固化した金属粉末を得ることができる。
このようにして、請求項1に記載の金属粉末製造装置では、溶融状態の金属粉末に対する冷却媒体の噴射位置を変更するという簡単な作業で、固化した金属粉末の粒径を簡単にコントロールすることができる。
請求項1に記載の金属粉末製造装置では、冷媒供給部材に形成された噴射口の何れかに噴射ノズルを装着することで、冷却媒体の噴射位置を変更することができる。即ち、噴射ノズルを装着する噴射口を選択することで、流下する溶融状態の金属粉末に対し、噴射ノズルから噴射される冷却媒体の噴射位置を容易に変更することができる。
請求項2に記載の金属粉末製造装置は、溶融金属を流下する供給手段と、前記供給手段で流下された前記溶融金属に燃焼炎を噴射し溶融状態の金属粉末を生成する燃焼炎噴射手段と、前記溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射する噴射ノズルと、前記噴射ノズルの噴射位置を変更する噴射ノズル変更手段と、を有し、前記噴射ノズル変更手段は、前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられた前記噴射ノズルを昇降させる昇降手段である。
請求項2に記載の金属粉末製造装置では、噴射ノズルが昇降装置で昇降され、噴射ノズルから噴射される冷却媒体の噴射位置を容易に変更することができる。また、冷却媒体の噴射位置を連続的に移動することができ、金属粉末(固化している)の粒径を連続的にコントロールすることが可能となる。
請求項3に記載の金属粉末製造装置は、溶融金属を流下する供給手段と、前記供給手段で流下された前記溶融金属に燃焼炎を噴射し溶融状態の金属粉末を生成する燃焼炎噴射手段と、前記溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射する噴射ノズルと、前記噴射ノズルの噴射位置を変更する噴射ノズル変更手段と、を有し、前記噴射ノズル変更手段は、前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられた前記噴射ノズルの噴射角度を変更する噴射角度変更手段である。
請求項3に記載の金属粉末製造装置では、噴射角度変更手段によって噴射ノズルの噴射角度を変更し、噴射ノズルから噴射される冷却媒体の噴射位置を容易に変更することができる。また、冷却媒体の噴射位置を連続的に移動することができ、金属粉末(固化している)の粒径を連続的にコントロールすることが可能となる。
本発明の金属粉末製造装置は上記の構成としたので、金属粉末の粒径のコントロールが容易になる、という優れた効果を有する。
本発明の第1の実施形態に係る金属粉末製造装置を示す縦断面図である。 第1の実施形態に係る金属粉末製造装置の上部を拡大した縦断面図である。 図1に示す金属粉末製造装置の3−3線断面図である。 冷媒供給部材の一部を拡大した断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る金属粉末製造装置を示す縦断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る金属粉末製造装置を示す縦断面図である。 本発明の第4の実施形態に係る金属粉末製造装置を示す縦断面図である。
[第1の実施形態]
図1乃至図4にしたがって、本発明の第1の実施形態に係る金属粉末製造装置10を説明する。
図1には、本発明の第1の実施形態に係る金属粉末製造装置10の概略構成が示されている。図1に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置10は、溶融した金属Mを供給する供給手段12、溶融した金属Mを一次粉砕して溶融状態の金属粉末Mmpとする、即ちアトマイズするジェットバーナー14、溶融状態の金属粉末Mmpを冷却して固化した金属粉末Mspを得る冷却筒18等を含んで構成されている。
供給手段12は、溶融金属Mを収納する容器20を備えている。容器20の外周側には、金属を加熱溶融するための高周波コイル22が配置されている。供給手段12は、容器20の底面下方の中央に、容器20の内部に連通する注湯ノズル24を有しており、容器20の内部に収納した溶融金属Mを注湯ノズル24から下方に流出可能となっている。
図2に示すように、ジェットバーナー14は、注湯ノズル24の下側に配置されており、中央に溶融金属Mを流下させる円錐状の通路部15が形成されている。なお、ジェットバーナー14は、フランジ部14Aが、後述する冷却筒18の閉塞部34に図示しないボルトで固定されている。
ジェットバーナー14は、円環状の燃焼室26と、燃焼炎であるフレームジェット30を噴射するための燃焼炎噴射口28を備えている。燃焼炎噴射口28は、通路部15の外周側を囲むように、通路部15の外周側に円環状に形成されている。
本実施形態のジェットバーナー14は、燃焼室26の内部において、例えば、空気と炭化水素である灯油とが混合されて燃焼され、燃焼炎噴射口28から下方内側に向かって、燃焼炎噴射口28の円周に沿って隙間なくフレームジェット30を噴射するように構成されている。
本実施形態のジェットバーナー14は、音速よりも速い速度でフレームジェット30を噴射可能になっている。ジェットバーナー14は、供給手段12の下方で、注湯ノズル24から供給される溶融金属Mの垂下流Maに対してフレームジェット30で取り囲んで、垂下流Maの一箇所に集中するように、燃焼炎噴射口28からフレームジェット30を斜め下方に向かって噴射する。また、ジェットバーナー14は、注湯ノズル24から供給される溶融金属Mの垂下流Maの外周に沿って隙間なく、均等なジェット圧で、フレームジェット30を衝突させる。
このように溶融金属Mの垂下流Maに対してフレームジェット30が衝突することで、垂下流Maは粉砕されてアトマイズされた、即ち、霧状とされた微細な溶融状態の金属粉末(固化していない金属微粒子)Mmpとなる。そして、溶融状態の金属粉末Mmpは、フレームジェット30の流れに乗って鉛直直下に向けて音速よりも速い速度で流下する。なお、溶融状態の金属粉末Mmpを含んだフレームジェット30は、ジェットバーナー14の中心軸CLaの延長線上を流下する。
図1に示すように、冷却筒18は、ジェットバーナー14の下方に同軸的に配置されている。冷却筒18は、円筒部32、及び円筒部32の上部を塞ぐ円板状の閉塞部34を備えている。閉塞部34は、円筒部32のフランジ32Aに図示しないボルトを用いて固定されている。なお、円筒部32は、上側が一定径に形成されており、下側が下端に向けて徐々に縮径している。
閉塞部34の下面には、円筒状の冷媒供給部材36が取り付けられている。図2、及び図3に示すように、冷媒供給部材36の内部には、90度間隔で、縦通路38が形成されている。縦通路38の中間部には、冷媒供給部材36の外周面に向けて延びる横通路40が接続されている。
横通路40の冷媒供給部材36の外周面側の端部には、冷却媒体供給パイプ42の一端部が接続されている。冷却媒体供給パイプ42の他端部には、冷却媒体供給装置44が接続されている。冷却媒体供給装置44は、ポンプ等を含んで構成されており、後述する噴射ノズル50から噴射する高圧の冷却媒体Wを冷却媒体供給パイプ42へ供給可能としている。なお、本実施形態では、冷却媒体Wとして水が用いられている。
また、縦通路38には、冷媒供給部材36の内周面に向けて延びる複数の分岐通路46A〜46Eが上下方向に間隔を開けて接続されている。
図4に示すように、これら分岐通路46A〜46E(図4では、46C,46Dのみ図示)には、冷媒供給部材36の内周面側の端部(本発明の噴射口)に雌螺子48が形成されている。雌螺子48には、噴射ノズル50の雄螺子部50A、または閉止ネジ52の雄螺子部52Aが螺合可能となっている。
噴射ノズル50は、分岐通路46A〜46Eに連通する通路53が中心軸CLb上に形成されている。図3に示すように、各噴射ノズル50の中心軸CLbの延長線は、冷媒供給部材36の中心軸CLcと交差するようになっている。なお、各噴射ノズル50からは、ストレート状の冷却媒体Wが水平方向(冷媒供給部材36の中心軸CLcと直交する方向)に噴射されるようになっている。これにより、各噴射ノズル50から噴射された冷却媒体が、中心軸CLc上の1点で衝突するようになっている。
図1に示すように、冷却筒18の下端には、配管54を介してサイクロン56が接続されている。
(作用、効果)
以下に本実施形態の金属粉末製造装置10を用いた金属粉末の製造工程を説明する。
(1) 先ず最初に、噴射ノズル50を分岐通路46A〜46Eの何れか一つに接続し、噴射ノズル50を接続していない分岐通路46A〜46Eには、閉止ネジ52を接続して塞ぐ(図4参照)。
(2) サイクロン56のブロアを起動し、噴射ノズル50から高圧の冷却媒体Wを噴射する。
(3) ジェットバーナー14の燃焼炎噴射口28から音速よりも速い速度でフレームジェット30を噴射する。
(4) 容器20の内部に金属材料を投入し、金属材料を高周波コイル22で加熱溶融して溶融金属Mとし、溶融金属Mを注湯ノズル24から垂下流Maとして鉛直下方に流出させる。垂下流Maに対して、ジェットバーナー14の燃焼炎噴射口28から音速よりも速い速度でフレームジェット30が噴射されると、垂下流Maは粉砕され、アトマイズされた、即ち、霧状とされた微細な溶融状態の金属粉末(固化していない溶融している高温の金属微粒子)Mmpとなる。
溶融金属Mは、ガスアトマイズ法や、水アトマイズ法で粉砕に用いるガスや水よりも高速で噴射される燃焼炎であるフレームジェット30で加熱され、粘度が低下した状態で粉砕される。即ち、溶融金属Mは、ガスや水を噴射して冷却と粉砕とを同時に行わないため、粒径の小さい、即ち微細な溶融状態の金属粉末Mmpとなる。
フレームジェット30で霧状とされた微細な溶融状態の金属粉末Mmpは、フレームジェット30と共に音速よりも速い速度で流下し、噴射ノズル50から噴射された水により急冷されて固化し、微細な固化したアモルファス化した金属粉末Mspとなる。
なお、噴射ノズル50から高圧で噴射された冷却媒体である水を、流下するフレームジェット30の中心に向けて突入させるが、水が即時に気化し、乾燥した金属粉末Mspが得られるように、噴射する水の量を設定することが好ましい。これにより、後工程で、水で湿潤した金属粉末Mspを乾燥する乾燥工程を省くことができる。
このようにして微細に粉砕された溶融状態の金属粉末Mmpが固化することで得られた微細な金属粉末Mspは、配管54を介してサイクロン56に吸引されて回収される。
ところで、本実施形態の金属粉末製造装置10では、溶融金属Mを高速のフレームジェット30で加熱して粉砕するが、粉砕された溶融状態の金属粉末Mmpは、従来の水アトマイズ法やガスアトマイズ法とは異なり、粉砕後であってもある程度の時間は溶融状態を保つことができ、流下するに従って徐々に粉砕化を進ませることができる。
即ち、従来の水アトマイズ法やガスアトマイズ法では、溶融金属を水またはガスで冷却と共に粉砕を行うため、溶融金属は粉砕直後に固化して比較的粒径の大きな金属粉末となってしまうが、本実施形態では、加熱された粉砕直後の溶融状態の金属粉末Mmpは粒径が比較的大きいが(但し、水アトマイズ法やガスアトマイズ法よりは粒径は小さい)、溶融状態の金属粉末Mmpは高速で流下するに従って粉砕が進み微細化する。したがって、粉砕直後の金属粉末Mmpの粒径に比較して、粉砕位置から下流側に離れた位置の金属粉末Mmpの粒径は小さくなる。
本実施形態の金属粉末製造装置10では、噴射ノズル50を分岐通路46A〜46Eの何れかに接続することで、噴射ノズル50とジェットバーナー14との距離、即ち、破砕位置から冷却位置までの距離を変更することができる。例えば、上側の分岐通路46Aに噴射ノズル50を接続すれば、噴射ノズル50とジェットバーナー14との距離が近くなり、下側の分岐通路46Eに噴射ノズル50を接続すれば、噴射ノズル50とジェットバーナー14との距離が遠くなる。
上側の分岐通路46Aに噴射ノズル50を接続すれば、噴射ノズル50とジェットバーナー14との距離が近くなるので、粉砕直後で粉砕化が比較的進んでいない溶融状態の金属粉末Mmpを冷却水で急冷して固化させてそれ以上の破砕を止めることができるので、比較的粒径の大きな固化した金属粉末Msp(但し、水アトマイズ法やガスアトマイズ法よりは粒径は小さい)を得ることができる。
一方、下側の分岐通路46Eに噴射ノズル50を接続すれば、噴射ノズル50とジェットバーナー14との距離が遠くなるので、粉砕化が進んだ溶融状態の金属粉末Mmpを冷却水で急冷して固化させることができるので、比較的粒径の小さな固化した金属粉末Mspを得ることができる。
このようにして、本実施形態の金属粉末製造装置10では、噴射ノズル50の取り付け位置を変更するという簡単な作業で金属粉末Mmpの粒径を簡単にコントロールすることができる。なお、本実施形態では、分岐通路46A〜46Eの何れかに噴射ノズル50を取り付けることで、金属粉末Mspの粒径を5段階にコントロールすることができる。
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態に係る金属粉末製造装置10ついて説明する。なお、第1の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
図5に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置10では、ジェットバーナー14のフランジ部14A、及び閉塞部34を貫通するように、複数の空気孔58がジェットバーナー14の周方向に間隔を開けて形成されている。
本実施形態の金属粉末製造装置10では、サイクロン56のブロアを作動させることにより、冷却筒18の内部が負圧となるため、外気が空気孔58を介して冷却筒18に流入し、フレームジェット30の外周側に沿うように流下する(矢印A参照)。
ところで、フレームジェット30(溶融状態の金属粉末Mmpを含む)の速度は、当初は音速を超えているが、流下するに従って速度が下がる。フレームジェット30は、速度が音速を超えている状態では直線状に流下するが、速度が音速よりも下がると徐々に拡がって拡散する傾向になる。
冷却筒18に流入した外気は、フレームジェット30の外周を囲むようにしてフレームジェット30と共に流下するので、音速よりも速度が下がったフレームジェット30の拡がりを抑制すると共に、フレームジェット30を安定した状態で流下させることができる。
このようにして、フレームジェット30を冷却媒体が噴射される上下の位置に関わらず安定した状態で直線状に流下させることができるので、冷却媒体が噴射される上下の位置に関わらず、流下する溶融状態の金属粉末Mmpを確実に冷却して固化することが可能となる。
[第3の実施形態]
次に、本発明の第3の実施形態に係る金属粉末製造装置10ついて説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
図6に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置10では、冷却筒18の内部に、円環状に形成された冷媒供給部材62が配置されている。冷媒供給部材62の内部には、90度間隔で4本の横通路64が形成されている。横通路64の一端には噴射ノズル50が接続されており、横通路64の他端には、フレキシブルホース66を介して冷却媒体供給パイプ42が接続されている。本実施形態においても、各噴射ノズル50から噴射された冷却媒体Wが、冷媒供給部材62の中心軸CLc上で衝突するようになっている。
冷却筒18の上側には、昇降装置としての油圧シリンダー68が縦に配置されている。油圧シリンダー68のピストンロッド70は、閉塞部34に形成された孔72を介して冷却筒18の内部に挿入されており、ピストンロッド70の先端が冷媒供給部材62に接続されている。
このため、ピストンロッド70を上下方向に移動することで、冷媒供給部材62の高さ位置、即ち、噴射ノズル50とジェットバーナー14との距離を連続的に変更することができるため、第1の実施形態の金属粉末製造装置10よりも金属粉末Mspの粒径を細かくコントロールすることができる。
なお、本実施形態では、昇降装置としての油圧シリンダー68を用いたが、ラックアンドピニオン、送りねじ等の他の昇降装置を用いて冷媒供給部材62を移動してもよい。
[第4の実施形態]
次に、本発明の第4の実施形態に係る金属粉末製造装置10ついて説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
図7に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置10は、冷媒供給部材62が支柱74を介して閉塞部34に固定されている。噴射ノズル50は、自在継手76を介して冷媒供給部材62に取り付けられており、噴射ノズル50は、上下方向に向きを変更可能となっている。
本実施形態では、噴射ノズル50の向きを変更することで、流下する溶融状態の金属粉末Mmpに対して冷却媒体Wの噴射位置を上下方向に連続的に変更することができ、前述した第3の実施形態と同様に金属粉末Mspの粒径を細かくコントロールすることができる。
[その他の実施形態]
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
第1〜3の実施形態では、噴射ノズル50から噴射される冷却媒体Wを、溶融状態の金属粉末Mmpを含んで流下するフレームジェット30の中心軸(冷媒供給部材36または冷媒供給部材の中心軸CLc)に対して90度(直角)で噴射したが、90度以外の角度で噴射してもよい。
なお、冷却筒18の内部には、例えば、酸素の含まれていないアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスを流入させてもよい。これにより、金属の酸化を抑制することができる。また、冷却筒18の内部に、水素ガス等の還元性のガスを流入させてもよい。
10 金属粉末製造装置
12 供給手段
14 ジェットバーナー(燃焼炎噴射手段)
30 フレームジェット(燃焼炎)
36 冷媒供給部材(噴射ノズル変更手段、冷媒供給部材)
46A〜E 分岐通路(噴射口)
48 雌螺子
50 噴射ノズル
62 冷媒供給部材(噴射ノズル変更手段、冷媒供給部材)
72 油圧シリンダー(昇降装置)
76 自在継手(噴射ノズル変更手段、噴射角度変更手段)
W 冷却水(冷却媒体)
M 溶融金属
Mmp 溶融状態の金属粉末

Claims (3)

  1. 溶融金属を流下する供給手段と、
    前記供給手段で流下された前記溶融金属に燃焼炎を噴射し溶融状態の金属粉末を生成する燃焼炎噴射手段と、
    前記溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射する噴射ノズルと、
    前記噴射ノズルの噴射位置を変更する噴射ノズル変更手段と、
    有し、
    前記噴射ノズル変更手段は、前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられ、前記冷却媒体が供給される冷媒供給部材と、前記冷媒供給部材に上下方向に複数形成され、前記冷却媒体が吹き出すと共に前記噴射ノズルが着脱可能な噴射口と、を備えている、金属粉末製造装置。
  2. 溶融金属を流下する供給手段と、
    前記供給手段で流下された前記溶融金属に燃焼炎を噴射し溶融状態の金属粉末を生成する燃焼炎噴射手段と、
    前記溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射する噴射ノズルと、
    前記噴射ノズルの噴射位置を変更する噴射ノズル変更手段と、
    を有し、
    前記噴射ノズル変更手段は、前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられた前記噴射ノズルを昇降させる昇降手段である、金属粉末製造装置。
  3. 溶融金属を流下する供給手段と、
    前記供給手段で流下された前記溶融金属に燃焼炎を噴射し溶融状態の金属粉末を生成する燃焼炎噴射手段と、
    前記溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射する噴射ノズルと、
    前記噴射ノズルの噴射位置を変更する噴射ノズル変更手段と、
    を有し、
    前記噴射ノズル変更手段は、前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられた前記噴射ノズルの噴射角度を変更する噴射角度変更手段である、金属粉末製造装置。
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